CN101769771B - 一种基于空气声学原理的流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空气声学原理的流量测量装置及方法。装置具有依次相连整流装置、主管上游段、测量段、主管下游段；主管上游段和主管下游段的截面为圆形或方形，整流装置为丝网整流或导流片整流。该方法利用空气动力学原理把流速转化为周期性的压力波动，把流量测量的难度大大降低。基于该方法的装置具有依次相连整流装置、主管上游段、测量段、主管下游段。本发明通过测量段中压力传感器中响应的电信号测量主管流体流量，它安装方便，结构简单，对管路流体扰动小，附加阻力小，测量稳定，响应时间短。

Description

一种基于空气声学原理的流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流量测量装置及方法，尤其涉及一种基于空气声学原理的流量测量装置及方法。

背景技术

空气声学是众多声学分支领域里研究声波与流体之间相互作用的一支。在某些情况下，正是因为这种相互作用而吸收和产生声音，那么必定存在一个空气声源。首先正式定义空气声源的是Lighthill，他认为，声音是由于实际流动和一个相对理想声场的偏离引起的。Powell指出，对于低马赫数和与波长一样小的源区而言，Lighthill的声源可以重新叙述为与漩涡状态有关。此外，在低马赫数和高雷诺数情况下，声场可以有效地描述为与漩涡动力学有关。因此漩涡引起的声音称为“涡声”(vortex-sound)，时均流诱导声振荡便是基于这样的原理的现象。

当对着竖直放置的瓶口水平吹气时，可以听到瓶内传出的嗡嗡声，这说明口中吹出的气流(时均流)在瓶内引起了声振荡(又称自维持振荡或自激振荡)。从流体力学和空气声学角度看，该现象可概括为具有一定动能的时均流诱导出有规律的具有交变流特性的空气声，其背后有着复杂的能量传递过程，首先，当气流掠过时，受瓶内静止流体的影响粘性边界层在瓶口脱离；其次，脱离的边界层在瓶口又以漩涡的形式卷起形成涡结构，并向瓶内的声场传递能量；再次，能量的传递和声场的存在又反过来影响了随后的漩涡的形成。整个过程形成一个能量反馈回路，具有高度的谐振特性。如果把口中吹出的气流换成高速管道气流或自然风，瓶子换成特制的单端开口密闭腔体，高速气流会向腔体内传递大的多的能量，从而诱导出一个具有大声能密度的驻波声场。

德国Karlsru大学的Naudascher和美国Lehigh大学的Rockwell根据形成机理把时均流诱导声振荡分成三大类：1)流体-动力振荡型，特征是振荡源于流体流动的固有不稳定性，纯的流体-动力振荡只发生于腔体深度与振荡波长相比很小的情况；2)流体-谐振振荡型，特征是流体振荡受谐振波动(驻波声场)效应影响显著，频率较高，腔体的深度与波长处于同一量级；3)流体-弹性振荡型，特征是流体振荡与固体边界的运动耦合在一起，此类振荡发生于当腔体的一个或多个壁面经历较大位移，且足够对时均流的剪切边界层扰动施加反作用。上世纪七十年代以来，针对流体-谐振振荡的研究逐渐增多，这类研究的对象都可以抽象成一个主流管道和一截面尺寸相当的单端开口密闭支路，二者内的流体相互连通，主流管道内是时均流场，密闭支路内建立的是驻波声场。典型的时均、交变流场的T型连接示意图如图1所示，该类型时均流诱导声振荡中的支路腔体为1/4波长谐振器(λ＝4L)，曲线表示驻波声场的压力振幅分布。

尽管上述时均流体诱导声振荡的现象很早就已经被发现，但这些振荡一方面频谱杂乱，而且管路流动引起的声振荡一直被看作管路的破坏力，所以研究多集中在如何抑制这种振荡。本发明不同于前人的研究主要在于它首先基于空气声学、热声学把时均流动转化为一个稳定的、单频的、周期性的压力振荡，建立压力振荡强度与流动速度和流量的关系，然后通过测量的压力信号反求出流速和流量。此外，这种测量方法的测量段在外形和尺寸上已经同被测管路完全不同，为了减小对被测管路的干扰和方便设备的被集成，直径可以做到比被测管路小几个数量级，而长度则根据测量数据的后处理需要设计，测量段和被测管路的连接部位可以根据需要发生变化。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于空气声学原理的流量测量装置及方法。

基于空气声学原理的流量测量装置具有依次相连的整流装置、主管上游段、测量段、主管下游段；主管上游段和主管下游段的截面为圆形或方形，整流装置为丝网整流或导流片整流。

所述的测量段为直角连接型测量段或圆角连接型测量段。

所述的直角连接型测量段具有直角连接型支管和压力传感器，直角连接型支管一端开口并分别与主管上游段和主管下游段以直角型式相连，直角连接型支管另一端封闭并与压力传感器相连。

所述的圆角连接型测量段具有圆角连接型支管和压力传感器，圆角连接型支管一端开口并分别与主管上游段和主管下游段以圆角型式相连，圆角连接型支管另一端封闭并与压力传感器相连。

所述的直角连接型支管截面为圆形或方形。

所述的圆角连接型支管截面为圆形或方形。

基于空气声学原理的流量测量方法是：利用主管上游段和测量段连接处的几何突变，使主管上游段边界层流体脱落，并在测量段开口处形成漩涡，与测量段内气体交换能量，引起测量段内流体的振荡，在测量段内形成压力波，通过测定测量段内的压力振幅，得到主管上游段的流速。

本发明适用于液态和气态的流体流量测量，通过特殊设计的管路结构，在不稳定边界层的作用下，使来流流体在支管内建立稳定的驻波声场，支管的末端是流体振荡压力振幅最大或较大点。对于特定的管路结构尺寸，在一定流速范围内，支管末端压力振幅是主管流速单调函数。根据压力传感器的压电效应，采集压力传感器的电信号，并建立电信号与流速之间的单调函数，便可以将标定好的基于空气声学原理的流量测量装置投入使用。为消除测量部分对流动的影响，测量支管与主流管道间可以连接有球阀等，在需要测量的时候打开阀门，不需要计量的时候关闭阀门。基于空气声学原理的流量测量装置通过测量段中压力传感器中响应的电信号测量主管流体流量，它安装方便，结构简单，对管路流体扰动小，附加阻力小，测量稳定，响应时间短。

附图说明

图1是时均、交变流场“T字”型连接示意图；

图2是基于声压测量的直角连接型流量计；

图3是基于声压测量的圆角连接型流量计；

图中：整流装置1、主管上游段2、直角连接型支管3、主管下游段4、压力传感器5、圆角连接型支管6。

具体实施方式

如图2所示，基于空气声学原理的流量测量装置具有依次相连的整流装置1、主管上游段2、测量段、主管下游段4，主管上游段2和主管下游段4的截面为圆形或方形，整流装置1为丝网整流或导流片整流，测量段为直角连接型测量段。

直角连接型测量段具有直角连接型支管3和压力传感器5，直角连接型支管3一端开口并分别与主管上游段2和主管下游段4以直角型式相连，直角连接型支管3另一端封闭并与压力传感器5相连；直角连接型支管3截面为圆形或方形。

如图3所示，基于空气声学原理的流量测量装置具有依次相连的整流装置1、主管上游段2、测量段、主管下游段4，主管上游段2和主管下游段4的截面为圆形或方形，整流装置1为丝网整流或导流片整流，测量段为圆角连接型测量段。

圆角连接型测量段具有圆角连接型支管6和压力传感器5，圆角连接型支管6一端开口并分别与主管上游段2和主管下游段4以圆角型式相连，圆角连接型支管6另一端封闭并与压力传感器5相连；圆角连接型支管6截面为圆形或方形。

基于空气声学原理的流量测量方法是：利用主管上游段2和测量段连接处的几何突变，使主管上游段2边界层流体脱落，并在测量段开口处形成漩涡，与测量段内气体交换能量，引起测量段内流体的振荡，在测量段内形成压力波，通过测定测量段内的压力振幅，得到主管上游段2的流速。

如图2所示，流体流向为箭头所指方向。一定流速的流体流过基于空气声学原理的流量测量装置时，主管上游段的边界层流体在直角连接型支管的开口处脱落，在粘滞力和剪切力的共同作用下卷起，形成漩涡并在直角连接型支管的开口处发展，最后漩涡在主管远边界层流体和直角连接型支管“弹性”流体的相互作用下向主管下游段运动并逐渐消失。在这样一种不稳定边界层的作用下，直角连接型支管内建立稳定的驻波声场，而直角连接型支管末端封闭侧为压力波腹，此处压力振幅最大。对于特定管路结构尺寸，在一定流速范围内，支管末端压力振幅是主管流速单调函数，因此可以通过测定压力传感器中的电信号得到主管的流速大小。

如图3所示，流体流向为箭头所指方向。一定流速的流体流过基于空气声学原理的流量计时，主管上游段的边界层流体在圆角连接型支管的开口处脱落，在粘滞力和剪切力的共同作用下卷起，形成漩涡并在圆角连接型支管的开口处发展，最后漩涡在主管远边界层流体和圆角连接型支管“弹性”流体的相互作用下向主管下游段运动并逐渐消失。在这样一种不稳定边界层的作用下，圆角连接型支管内建立稳定的驻波声场，而圆角连接型支管末端封闭侧为压力波腹，此处压力振幅最大。对于特定管路结构尺寸，在一定流速范围内，支管末端压力振幅是主管流速单调函数，因此可以通过测定压力传感器中的电信号得到主管的流速大小。

需要说明的是：基于空气声学原理的流量测量装置适用于液态和气态流体的流量测量；压力传感器可以采用其他测压装置替换，其安装位置也可以由测量段支管末端转移至支管其他位置，测量段支管特定位置的压力振幅均可与主管流速建立单调函数；为消除测量部分对流动的影响，测量支路与主流管道间可以连接有球阀等，在需要测量的时候打开阀门，不需要计量的时候关闭阀门；测量段为圆柱管、方管、圆锥管、方锥管、喇叭形管、气泡形管；测量段的接入在空气声学流量测量方法里面没有特殊的要求，直角和圆角都可以在测量段建立起满足测量要求的声场，只是同一被测流速下扰动起来的声场强度不同；由于声波是平面波，测量段的支管可以在不影响内部声场和不引起较大耗散的情况下任意弯曲，这样可以方便测量装置集成到被测管路上；测量段的支路也不必与被测管路垂直，可以成任意的角度，只要能够利用空气声学原理激发出声场就可以进行流量和流速的测量。

Claims (4)

1.一种基于空气声学原理的流量测量装置，其特征在于：它具有依次相连的整流装置(1)、主管上游段(2)、测量段、主管下游段(4)；主管上游段(2)和主管下游段(4)的截面为圆形或方形，整流装置(1)为丝网整流或导流片整流；所述的测量段为直角连接型测量段或圆角连接型测量段；直角连接型测量段具有直角连接型支管(3)和压力传感器(5)，直角连接型支管(3)一端开口并分别与主管上游段(2)和主管下游段(4)以直角型式相连，直角连接型支管(3)另一端封闭并与压力传感器(5)相连；圆角连接型测量段具有圆角连接型支管(6)和压力传感器(5)，圆角连接型支管(6)一端开口并分别与主管上游段(2)和主管下游段(4)以圆角型式相连，圆角连接型支管(6)另一端封闭并与压力传感器(5)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于空气声学原理的流量测量装置，其特征在于：所述的直角连接型支管(3)截面为圆形或方形。

3.根据权利要求1所述的一种基于空气声学原理的流量测量装置，其特征在于：所述的圆角连接型支管(6)截面为圆形或方形。

4.一种使用如权利要求1所述装置的基于空气声学原理的流量测量方法，其特征在于：利用主管上游段(2)和测量段连接处的几何突变，使主管上游段(2)边界层流体脱落，并在测量段开口处形成漩涡，与测量段内气体交换能量，引起测量段内流体的振荡，在测量段内形成压力波，通过测定测量段内的压力振幅，得到主管上游段(2)的流速。

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